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行业分析

纤维增强复合材料在高速列车的应用及展望
来源:中国铁道科学研究院金属及化学研究所 裴顶峰  2015-10-12 14:48:13
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2108

摘  要:FRP(纤维增强复合材料)近年来在高速列车得到广泛的应用,并作为一种新型高性能内饰及结构材料在替代轻金属方面表现出巨大的优势,国内外有关研究和生产单位开展了大量的研究和实践应用。本文主要涉及FRP材料的物理性能,分析了其优点与不足,并介绍了 FRP对车辆内饰、外部导流罩、走行部以及减震降噪方面的应用与发展。最后指出了未来纤维增强复合材料在轨道交通工具应用的发展前景。

1. 前言
  随着我国高速列车及其轨道交通的迅猛发展,我国国产动车组制造技术取得的长足的进展,同时伴随着国内四纵四横客运高铁的逐步开通,动车组保有量逐步增加,截止2014年年底动车组保有量达到2000余辆。大量动车组的开通运营使中国在高速列车生产制造技术及运营管理储备了明显的优势,在此基础上,中国铁路总公司提出了完全自主知识产权,按照中国统型技术条件的生产制造的标准动车组,该标准动车组已经在中国铁道科学研究院环形铁道试验线及大西客运专线进行一系列的测试试验,试验完成后,将完全按照该技术条件生产制造中国特色标准动车组,该标准动车组对车辆的轻量化、防火、防毒防烟、舒适性及低噪音提出了更加严格的要求,这为纤维增强复合材料的应用提出了一个崭新的空间。随着复合材料技术的进步及成本的降低,复合材料在高速动车组的应用范围正逐步从内部非承重结构件向走行部及结构件扩展,在未来高速轨道交通装备中所占的比例将越来越高。

2. 复合材料在高速列车的应用要求
  在当前中国高速动车组装备制造正在建立完整产业生产链,从走行部到供电部以及列控系统基本建立了完全国产化的产业链条,有力的推动了装备制造业的发展。这位国内纤维纤维增强复合材料产业进入高速轨道装备制造提供了良好的契机。中国标准动车组的下线,标志着中国高速列车产业迈向了一个新的步伐,与现有动车组相比,标准动车组在整车轻量化、防火防毒以及舒适低噪音上进行了大量创新,大量阻尼复合材料及结构复合材料在标准动车组上开始了新的应用。
  高速列车复合材料在高速列车的应用首先应该满足低毒、低烟、防火的要求,这是对所有高速列车方法复合材料的要求,其次作为承载结构件的复合材料必须具备高的承载能力及疲劳性能,这样才能保证在高速运转过程中列车的安全。

2.1纤维增强复合材料说明
  纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP) 是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。近年来,FRP以其高强、轻质、耐腐蚀等优点,开始在装备制造领域得到应用。目前工程结构中常用的FRP主要为碳纤维 carbon fiber)、玻璃纤维(glass fiber)和芳纶纤维(aramid fiber)增强的树脂基体,分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。

2.2 纤维增强复合材料的特点
(1)纤维增强复合与传统金属及轻合金材料相比在车辆轻量化具备明显的优势,具有质轻性能高的优点,主要性能对比见表1。从表中可以看出大部分复合材料的比强度和比模量比大部分轨道交通用轻合金材料高出约1.5倍,同时其密度大约是轻合金的0.5倍,因此从这个意义上讲,复合材料在替代轻合金上具有较大的潜力和优势。

表1 复合材料和轻合金及金属材料力学性能对比
  

(2) 可设计性强度,纤维增强复合材料显著特点是高比强度和高比刚度,,性能可以在一个很宽的范围内变化,可以通过使用不同的纤维材料、纤维含量和铺陈方向及树脂基体设计出各种强度指标、弹性模量以及阻燃性能要求的产品,同时纤维增强复合材料的成型工艺适合于不同的结构和形状的产品,在保证复杂部件成型的同时,性能保持不变,形状可灵活设计。

(3) 高的安全性及疲劳性,轨道交通用复合材料一个明显的特点是具备良好的可控的安全性及疲劳性,由于列车在高速运转过程中疲劳周期较短,循环次数较多,容易造成承载部件疲劳损坏,良好的可控及预测疲劳性能对列车的行驶安全具有重要的意义。目前常用的轨道交通金属材料,为了防止疲劳及预测疲劳裂纹的产生投入了大量的探伤及预防措施,来防止金属材料达到疲劳极限或者疲劳裂纹失稳扩展,造成零件失效。与金属材料相比,纤维增强复合材料由于纤维的力传导性,在疲劳缺口产生时,部分应力可以通过纤维传递到低维界面,减轻对缺口的冲击,缺口敏感度降低,即使出现缺口,复合材料也不立即失效,具备良好的疲劳性能同时可以实现提前监测。

(4) 高的耐腐蚀性,纤维增强复合材料可以在各种酸碱及潮湿环境中长期使用,这与目前轨道交通用金属材料相比具有明显的优势。为防止轨道交通金属材料的在各种酸碱环境中由于腐蚀失效,投入了大量的人力与物力进行防腐蚀措施,同时由于各种腐蚀缩短了部件的服役周期,提高了列车的运营成本。由于中国国土面积幅员辽阔,高速动车组运营环境多样化,作为车底及转向架等走行部配件承受着不同的环境侵扰,因此利用复合材料对其替代,不仅实现了车辆走行部件轻量化,还将部件寿命的延长。

(5) 低成本促进复合材料在轨道交通的应用,随着各种纤维制造技术的进步及成熟,各种纤维成本逐步降低,为各种航空用复合材料在轨道交通的应用实现了可能。同时,各种纤维增强复合材料成型技术的成熟及新工艺的应用,为大规模模块化生产复合材料提供了基础,大量模块化设计的纤维增强复合材料在轨道交通的应用,延长了整体车辆的使用成本寿命。

(6)纤维增强复合材料良好的隔震阻尼性能,由于高速动车组轻量化的发展,随之而来的轨道交通工具的宽频振动及噪声越来越严重,振动过大时不仅影响乘车的舒适性,严重时将直接导致零部件的失效,造成行车事故。考虑到金属材料的低阻尼性及降噪设计的复杂性,大量组合设计的纤维增强复合材料应用在车体夹层、车体底部、发动机等部位来降低车体的振动及噪音。表2是不同材料阻尼影响因子参数,从图中可以看出与金属材料相比复合材料具有明显的优势。由于作为阻尼的复合材料单独使用时承载能力较弱,通常与金属承载件复合在一起使用,在利用金属件承载的同时,充分发挥纤维增强复合材料多维阻尼的性能。为了消除不同频段的振动噪音,通过多种纤维及树脂基体复合使用,来充分发挥复合材料的协调效应来吸收和减轻列车振动噪音。

表2 不同材料的阻尼影响因子

(7) 各种新型阻燃剂的开发,提高了纤维增强复合材料的阻燃性能,为复合材料的使用消除了安全隐患,扩大了纤维增强复合材料的应用。阻燃理论的成熟和新型阻燃剂的开发,促进了纤维增强复合材料在装备制造领域的应用部位及比例。

3. 纤维增强复合材料在高速轨道交通的应用
  在20世纪80年代,随着航天技术的发展与成熟,复合材料在航天发射器及飞行器领域进行了大量的应用,当时复合材料主要作为隔热及内饰材料进行应用。进入21世纪后,轨道交通的发展,尤其高速动车组技术的发展,客观上促进了纤维增强复合材料在高速列车的应用,从最初内饰件逐渐发展到承载功能件,其应用范围与功能发生了巨大的变化。尤其随着中国标准动车组的下线,在现有动车组技术基础上进行了大量的突破,在解决全车轻量化、低噪音上采用了大量的纤维增强复合材料。在整车应用复合材料上,法国国营铁路公司在TGV列车利用复合材料制造了样车,并进行了大量的运营及防火实验,实验结果表明复合材料足够胜任高速列车的对材料的各项性能要求,这表明以纤维为增强材料的各中树脂复合材料正在从车厢内饰件配件等非结构件向车体等结构件延伸。

3.1 传统车辆内饰件
  在高速动车组内部主要是车辆装饰板、集便器、盥洗台、座椅支架、水箱、车前盖头等。在行李架上也大量采用玻璃钢与铝合金复合的支撑结构。如装饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料, 厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性, 也以不燃性的为佳。在外部的受电弓及前段导流罩上,中国动车组也大量采用玻纤增强复合材料。纤维增强复合材料在车辆内部的应用见图1所示,车厢内部大量采用纤维增强复合材料。


图 1 纤维增强复合材料在车辆内部的应用


3.2 车头导流受力结构件
  纤维增强复合材料在高速动车组的一个重要的应用就是车头前段的导流罩,前段导流罩对于动车组车头的空气动力学性能影响较大,良好的导流罩外形设计可以精确的满足动车组高速运行的空气动力学需要。纤维增强复合材料的易于设计及成型特性,可以很好的利用计算机设计成型,设计出满足要求的外形,同时纤维增强复合材料的抗冲击性提升了其应用价值。在国外意大利ETR500 高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂的FRP,用这种材料模型成型的符合空气动力学线型要求的车头,具有优异的抗冲击能力,当列车以300 km/h 速度行驶时有很好的尺寸稳定性。同时也有部分芳纶纤维增强树脂的车头。在国内高速动车组的主要采用聚酯纤维增强复合材料制造的前段导流罩,并且在高速轨道检测列车上进行了应用,如图2所示。


图 2 时速400km高速轨道检测列车

3.3 车体结构件
  车体结构需要承受旅客的重量和各种设备的重量,以及动车组在运行过程中的纵向、横向和扭转等载荷,所以车体需要有足够的强度和刚度,目前动车组车体大量采用轻质铝合金及双夹层结构设计,车体的重量大概占到总车重的15~30%左右,因此随着轻量化的需求不断增强,轻质铝合金已经不能满足高速列车对轻量化的需求,于是人们把目光转向了复合材料上,并进行了部分试验应用,有部分复合材料成功推广应用,随着未来复合材料技术的成熟度提高,车体结构复合材料比例将越来越高。法国最早在TGV双层高速列车上进行了试验,制造了复合材料车体挂车,进行了试验,试验结果表明其能够满足高速列车在运营过程中的各项力学冲击,同时其阻燃及隔震性能良好,与铝合金车体相比质量减轻25%左右。在铝合金的双层夹层中,充填碳纤维树脂发泡复合材料,来达到隔音降噪的目的。
  出于降低列车在高速运行时的噪音及提高舒适性考虑,中空夹芯复合材料在列车上进行了大量的应用,使用中空夹复合材料做的墙板及面板与铝面板没有任何区别,同时其质量轻,隔震降噪性能良好。巴斯夫在提高铁路车辆强度和减轻车重上采用聚氨酯复合材料方案,如用于车内地板和墙壁的Elastoflex纸质蜂巢技术,用于外部车顶的轻质、高强度、高刚性长纤注射(LFI)技术等。在LFI工艺中,玻璃纤维卷被切成长短可调的纤维,然后与聚氨酯反应组合料混合,由此得到超高强度的复合材料。

3.4 走行部功能件
  走行部主要是车体下部转向架及车轮结构,转向架是车辆系统中最重要的组成部件,其结构设计的合理性直接影响车轮的运行品质、动力学性能和行车安全。对于铁路车辆,转向架具有承载、导向、缓冲、牵引和制动的功能,因此在转向架上集成了大量的功能件,从改善舒适性、安全性及轻量化考虑,也有部分复合材料的应用。截止目前,只有德国队整车复合材料转向架进行了研究并试生产,经过试验表明复合材料转向架经过100万公里的运营考察后,没有出现任何损坏及磨损。复合材料转向架与金属转向架相比重量大大降低,运行舒适性提高,降低了检修成本,但是基于复合材料整体成本及技术成熟度,复合材料转向架尚未进行推广,相信随着相关复合材料理论的成熟及成本的降低,复合材料在转向架的应用比例将逐步提高。
  轴承是保证动车组轴承安全运行的关键部件,它直接决定设备的可靠性、使用效率及使用寿命。动车组轴承保持架一般选择玻纤与尼龙复合材料作为保持材料,如图3所示。尼龙材料具有原料充足、成本低、自润滑性好、易加工等优势,成为塑料保持架最常用的材料。PA轴承保持架,相对其它保持架材料,具有质轻、噪音低、易注射成型、耐摩擦、自润滑性能良好的特点。同时使用尼龙复合材料制造的转向架框及制动拉杆磨耗套都已经量化生产,其耐磨性好使用寿命长。
 


图 3 尼龙保持架

  复合材料轮心,目前欧美正在研制复合材料轮心来减小轮轨接触噪音及冲击。同时复合车轮技术也是一项正在研究的减震降噪技术,通过利用胶黏剂将复合材料板与车轮侧面粘接在一起来降低车轮行进过程中产生的噪音。同时利用泡沫复合材料与车轮形成整体轮毂式结构来达到降噪的车轮已经在城市轨道交通应用。

3.5 隔音隔热减震部件
  在动车组上采用隔音隔震隔热材料的结构主要形式包括:
(1) 车内墙板、地板、顶板上安装的碳纤维增强材料;
(2) 客车室内顶上部起隔震隔热作用的支撑材料;
(3) 车体性材料内部填充的粘贴及发泡纤维增强复合材料;
(4) 车体下部起遮盖关键部件的盖板罩;

4. 我国纤维增强复合材料在高速列车应用亟需解决的问题   
  从复合材料内部装饰件到承重结构件,纤维增强复合材料以其优异的特性展示了巨大的优势及应用前景。目前除应用现有技术和工艺,为高速列车研发、配套车门、整体卫生间等车体设备和装饰件外,纤维增强复合材料在结构承载件应用相对较少,同时适用于纤维增强复合材料的各种增强纤维国产化率低,尤其在高速列车应用较少,相关制造工艺及纤维制造技术的不成熟阻碍了国产复合材料在高速列车的应用,因此应当应深入研究具有自主知识产权的复合材料制造技术及其产品,提高复合材料在高速轨道领域的应用水平,促进我国高速轨道交通事业的发展。结合我国标准动车组的发展需求,我们认为纤维增强复合材料要在高速动车组大规模应用,尤其在大型结构件上应用,首先需要解决一系列问题。

4.1 复合材料服役及失效机理分析
  金属材料作为高速轨道交通结构及承载件,在经过长达半个世纪在高速轨道交通工具的应用,其服役失效机理理论成熟,从生产到预防探伤建立了一整套的设备及理论,有力的保证了其服役安全性。纤维增强复合材料作为一种新材料在轨道交通上作为承载结构件使用,必须对其服役模式及失效机理进行分析,建立预防措施,从而保证作为结构件使用的安全性。同时由于纤维种类不同,造成复合材料性能差距较大,这种多样性为设计提供方便的同时,也加剧了复合材料作为结构件应用的不确定性,因此需要对其服役和失效机理进行分析,从而为复合材料在整体结构材料的应用提供理论和数据支撑。

4.2 大型结构件设计技术
  良好的设计基础是复合材料应用的前提,是实现减重和安全性的保证。就复合材料本身性能而言,其刚度、强度及疲劳性能均可满足高速动车组的需求,复合材料大型结构的设计、各部位对载荷的要求、铺层的设计、接头的设计等方面才是制约其应用推广的关键。欧美各国都已经实现了全自动计算机设计计算技术,设计技术成熟,水平较高,而且 专业化、计算机辅助设计软件己经商业化。而我国相关制造技术应用范围较小,相关制造单位技术实力薄弱,还不具备与国外厂商竞争轨道交通市场的能力。

4.3 高性能增强纤维研发
  纤维对作为复合材料增强结构,对于复合材料的整体性能有着重要的影响,我国相关高性能纤维
种类的缺失,造成了相关复合材料整体性能低下,造成纤维增强复合材料在动车组的国产化率低下,因此为促进纤维增强复合材料在高速动车组的应用,必须加强对相关高性能纤维的研发。

4.4 低成本的制造技术
  低成本制造技术 低成本制造技术的范围较广,一般将成型效率高、成品率高、原材料适用性广的工艺技术称为低成本技术。对于高速轨道车辆制品而言,低成本制造技术是指多种成型工艺协作的系统。因为制造大而复杂的高速轨道车辆产品,通常只有应用多种成型技术才能达到理想的效果(比如 减重、高性能等)。德国 AEG 和 MBB 公司在开发转向架时同时应用了模压、缠绕、拉挤 成 型技术以及粘结技术。因此只有将各种工艺、技术有机融合,复合材料才有可能在高速轨道交通领域得到更新、更多地应用。

5. 高速列车纤维增强复合材料发展的方向
5.1  热塑性纤维增强复合材料的应用
  随着国内高速动车组保有量的增多,纤维增强复合材料的应用数量及范围逐步扩大,这就为复合材料的回收利用带来了新的问题,热固性纤维增强复合材料的无法回收,造成资源浪费及环境污染,不利于资源与环境的可持续发展。热塑性纤维增强复合材料作为一种可回收的材料,在使用成本及回收上都具有巨大的优势。当前铁路货车地板的改进全部采用热塑性的复合材料板,也代表了纤维增强复合材料在轨道交通领域的发展趋势,随着国家环保政策的日益严格,铁路主管单位也将陆续出台相关轨道交通纤维增强复合材料应用技术条件及标准,将提升热塑性纤维增强复合材料的应用范围。

5.2 高阻燃性能纤维增强复合材料
  随着国内轨道交通的发展,尤其高速铁路的发展,复合材料的阻燃性能越来越为人民所重视,大量有机复合材料的应用使轨道交通工具对于整车阻燃性能有了更高的要求。目前国内对于轨道交通工具防火要求及方法标准不一致,因此造成在采用相关纤维增强复合材料的选择上存在区别。目前执行的动车组阻燃标准主要是TB/ 3327-2010《动车组内装阻燃技术条件》,该标准主要针对动车组内装材料及部分结构件进行了阻燃规定,包含材料见表3。

表3 动车组内装材

  在上述标准中对非金属材料的氧指数、45°角燃烧性能、烟密度及燃烧后的烟气毒性进行了规定,由于早期的动车组引进技术来源不同,执行的阻燃标准不一致,因此在制定上述标准时,主要考虑了对国内动车组的适用性,在考虑与国际标准接轨上有一定的欠缺。同时随着中国标准动车组的进一步发展,不断有新产品及新材料在动车组中应用,上述标准的规定的材料范围已经不适用,因此铁路主管单位已经在编写新的高速动车组阻燃技术条件,新的阻燃技术条件在阻燃性能及测试方法在与欧盟及美国标准对接时,逐步提高相关非金属材料的阻燃技术指标,为中国高速铁路走出去提供保障。因为纤维增强复合材料未来的发展应该是在满足轻量化、承载结构的要求基础上,着重发展低烟、无毒、低毒及难燃的复合材料,从纤维种类、阻燃剂种类及填料体系入手,开发阻燃性能良好的纤维增强复合材料,保证高速列车的运营安全。

6. 纤维增强复合材料的应用展望
  随着国内轨道交通的高速发展和技术飞速进步,轨道交通工具对于轻量化的要求越来越高。在有些条件下传统金属材料已经很难满足这种发展要求。纤维增强复合材料具有轻质,高强,耐腐蚀,抗疲劳,耐久性好,多功能,适用面广,可设计和易加工等多种优点。在重要的轨道交通工具内装材料、承载结构以及车体上,都具有巨大的优越性。随着轨道交通制造与纤维增强复合材料技术的不断成熟,纤维增强复合材料将在大部分轨道交通工具部件上使用。纤维增强复合材料作为一种新型的有发展潜力的材料与技术,将逐步扩大在轨道交通工具的应用量,减轻轨道交通工具的重量,从而达到节能环保的要求。纤维增强复合材料在轨道交通工具的应用和开发,已经成为当今交通工具生产也制造的一个热点。该技术研究的不断成熟,将不断替代各种金属材料在轨道交通的应用,提高轨道交通工具的舒适性及安全环保性。将为现代复合材料的发展开辟一个新的应用领域,从而产生明显的社会和经济效益。

参考文献:
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